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Lo stupore delle prese elettriche

Amedeo Balbi spiega l’universo al pub del lunedì sera

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Il big bang.
L’universo, circa 13,8 milioni di anni fa, era molto denso e molto caldo. In seguito si è espanso, si è raffreddato, si sono formate le galassie, le stelle ecc. all’inizio c’erano solo particelle elementari e radiazione. Non potevano esserci strutture come le stelle. Abbiamo evidenze dirette di come era la situazione fino a 13,8 milioni di anni.
Da qui possiamo andare un po’ di indietro. Dovremmo arrivare a un momento in cui l’universo è così compresso da essere un punto. Però non sappiamo se quella singolarità, un punto di densità infinita, sia esistito. Una frazione di secondo dopo, comunque, sappiamo che c’è stata un’espansione. Non possiamo dire se il big bang ci sia stato. La fisica che sappiamo non vale in quella situazione: vale da qualche frazione di secondo dopo.
Sappiamo anche che a un certo punto la materia ha prevalso sull’antimateria. Abbiamo verificato che ogni particella di materia che esiste ha un doppione, con carica elettrica invertita. Il doppio dell’elettrone si chiama positrone, per esempio. Perché il mondo nostro è fatto di materia anziché antimateria? L’universo dovrebbe contenere in uguale misura materia e antimateria, dall’equazione. Quando interagiscono le particelle di materia e antimateria si genera energia e le particelle spariscono. Vale anche al contrario. L’energia può produrre particelle. Se al bigbang fossero rimaste pari, si sarebbero annullate. Allora perché esistiamo? Perché la materia ha prevalso? Questa cosa non la sappiamo.
I fisici teorici hanno tantissime idee e spiegazioni e ipotesi. Il problema è che di tutte le ipotesi ce n’è solo una giusta o nessuna. L’unico modo è sperimentare.
Gli acceleratori di particelle possono arrivare a tot di energia e non oltre. Mentre noi possiamo chiederci sempre cosa c’era prima. Non potremo sperimentare tutto coi metodi diretti. Ci sono osservazioni cosmologiche ma resta un problema metodologico. È difficile capire l’inizio dell’universo. Anche perché non si può replicare l’universo.
Non abbiamo rifatto il big bang. Non possiamo rifare il big bang. Possiamo riprodurre cose che forse c’erano allora.
Come si è scoperta l’antimateria e perché c’è? Perché l’universo è fatto così. Ci sono delle leggi che fanno così. Perché boh.
Paul Dirac stava studiando le equazioni per descrivere le particelle. Nelle soluzioni venivano fuori queste particelle. A un certo punto sono state osservate. Le particelel di antimateria possono essere osservate in laboratorio e inoltre provengono particelle dallo spazio e ogni volta che la Terra viene bombardata si rilevano particelle di antimateria.
In una banana, che ha isotopi radioattivi, si creano particelle di antimateria ogni tot minuti.
Nella pet si usano antiprotoni.
Se io fossi fatto di antimateria non notereste differenze. Sarei fatto di antiparticelle. Finché sto qua non succede niente. Se incontro uno fatto di materia e gli do la mano sparisco. In un mondo fatto di materia l’antimateria non può sopravvivere a lungo.
Come facciamo a vedere l’universo e a stimare la dimensione oltre quella osservabile? Perché vediamo solo una parte? La storia è iniziata 13,8 miliardi di anni fa. La luce viaggia a 300 000km al secondo. Se vediamo una cosa lontana la vediamo quando è partita la luce. Vedo il sole con otto minuti di ritardo. Guardando sempre più lontano vedo oggetti la cui luce è partita x milioni di anni fa, per esempio. Poiché l’universo ha una età finita non posso guardare oltre la distanza da cui può essere partita la luce e quindi il percorso che la luce può aver fatto dal big bang a oggi. In teoria l’universo potrebbe essere finito come estensione spaziale ma noi vediamo solo una regione finita. L’universo ha un orizzonte.
Non sappiamo cosa c’è fuori dal visibie. Tentiamo di estrapolare ciò che sappiamo al di fuori dell’orizzonte osservabile, ma non lo sappiamo.
In cosa si espande l’universo? È tipo un palloncino che si gonfia? Non c’è un fuori. L’universo è tutto quello che esiste. Il problema diventa come visualizzare le distanze, che variano nel tempo. L’espansione non ruba spazio a roba che c’è fuori. L’universo è quel che c’è. Se hai un palloncino, ci disegni dei punti, lo gonfi, vedi che i punti si allontanano l’uno dall’altro. L’esempio del palloncino è valido se immaginiamo che l’universo sia solo la membrana esterna, la superficie del palloncino. Allora vedi che ogni puntino si allontana e quindi vedi che non c’è un centro, che ogni puntino vede la stessa cosa, che ogni punto si distanza dall’altro, che chi è intrappolato non ha bisogno del fuori: la gomma si espande da sola. Nell’universo devi fare la stessa cosa, ma la devi fare in tre dimesnioni. Non possiamo visualizzarlo. Possiamo capirlo da un punto di vista matematico.
Guardare una stella e pensare che forse non esiste più.
Cosmos.
Il calendario cosmico. Tutta la storia moderna è assimilabile a un minuto.
Spaziotempo. Quattro dimensionio. Lunghezza, larghezza, profondità, tempo. Lo spazio e il tempo non sono assoluti e fanno parte di un’unica cosa. Può essere che cambi il rapporto tra spazio e tempo. Può essere che per un osservatore lo spazio si stiri, il tempo si accorci e così via. Non esistono spazio e tempo separati o assoluti. Ogni punto dell’universo ha il suo tempo e lo spazio dipende da quel che c’è dentro: si deforma, cambia geometria, in base alla distribuzione di materia ed energia. Perché Sole e Terra hanno questa roba dell’attrazione gravitazionale? La materia che compone il sole crea nello spazio circostanze una curvatura e la materia che compone la Terra risente di queste modifiche, quindi la gravità dipende da questa capacità dello spazio di essere elastico. Se sto vicino o lontano a una massa il tempo cambia.
Come conciliare il modello della fisica delle particelle e la relatività di Einstein? Qual è il problema? Abbiamo due grandi teorie che servono a descrivere due aspetti della realtà: la relatività generale che descrive lo spaziotempo e la meccanica quantistica che descrive il subatomico. Le teorie vengono applicate ognuna per conto suo. Su scala subatomica la relatività è irrilevante. Posso trascurare la meccanica quantistica a livello cosmologico. Ci sono dei casi in cui si devono usare ambedue. Non riusciamo a metterle d’accordo. Esistono quattro interazioni fondamentali: elettromagnetica, gravitazionale, nucleare debole, nucleare forte. Queste descrivono tutto quel che accade nell’universo. Elettromagnetica e nucleari le trattiamo bene a livello di meccanica quantistica ma non le riusciamo a trattare per la gravità. La gravità è particolare, è governata dalle caratteristiche dello spaziotempo. Se voglio quantizzarla dovrei quantizzare lo spaziotempo. Succedono cose strane. Lo spaziotempo dovrebbe avere della granularità, ci dovrebbero essere dei quanti di spaziotempo. Sono due aspetti che non si parlano bene. Origine dell’universo, buchi neri per spiegare bene dovresti unirli e non ci siamo ancora riusciti.
 Poi abbiamo questo spaziotempo in cui l’universo si espande. Il sistema di riferimento qual è se tutto si sta muovendo rispetto a tutto? La Terra poi viaggia a mille km l’ora, anche il sole si muove velocemente. Non esiste un sistema di riferimento assoluto. Non è tutto relativo. Tutto dipende dal punto di vista. Poi vuoi una descrizione che non dipenda dal punto di vista. Non c’è un sistema per il quale la Terra si muove alla velocità x. Puoi dire che si muove che si muove alla velocità x rispetto a y. Poi si possono trovare dei sistemi di riferimento su cui mettersi d’accordo per tutto l’universo ma non c’è un sistema di riferimento unico e assoluto.
Universo parallelo. Il tempo scorre al contrario.
I neutrini interagiscono poco, lasciano poche tracce.
Attenti ai titoli e agli spropositi. C’è grande passione per gli universi paralleli. A questo non corrisponde una fondatezza delle ipotesi che ci stanno dietro. È possibile per alcuni scenari che il nostro universo sia uno di un multiverso. Alcuni modelli li prevedono ma non abbiamo messo le previsioni alla prova e non ci riusciremo, probabilmente. Se l’universo è fuori dal nostro non è osservabile quindi come potremo mai vederlo o capire come stanno le cose? Poi quello potrebbe basarsi su leggi fisiche diverse.
Esistono varie versioni dei multiversi e degli universi paralleli. Può essere che se l’universo fosse infinito potresti avere regioni sconnesse l’una dall’altra che non si parlano e sono lontane ma che in media potrebbero essere identiche al nostro. In altri scenari le leggi della fisica degli altri universi potrebbero essere completametne diverse: universi con età diverse, più densi o meno densi, senza stelle e pianeti ecc.
In questo momento il tema è più interessante dal punto di vista filosofico che dal punto di vista scientifico. (Delusione!).
Galassie e stelle si formano molto presto nella storia dell’universo. Le più lontane sono molto diverse da quelle attuali. Sono galassie appena formate che devono evolversi. In una galassia scoperta recentemente, si vede che è simile alle nostre, a spirale, risale a 1,5 miliardi di anni fa. È un oggetto strano rispetto ai nostri modelli. È un problema di modello sbagliato? Di anomalia statistica? Non è comunque una cosa che mette in crisi le teorie. Ogni tanto si va a caccia di crisi della cosmologia, di cose che scompaginano, ma in realtà non è così. Un po’ ci piacerebbe vedere cambiare tutte le carte in tavola, avere rivoluzioni, ma poi di solito non va così.
Breve storia del tempo, hawking. Ologramma che si crea nella superficie del buco nero. Informazione che non si perde ma resta nella superficie del buco nero.
Si chiama principio olografico. Il buco nero ha la caratteristica se ci entra qualcosa non esce. È una sfera, se ci passi attraverso non puoi tornare indietro. Allora cosa succede quando fai cadere della roba nel buco nero? Che succede all’informazione? Cioè in fisica lo stato in un sistema dipende da come era nel momento precedente. Se bruci il libro, l’informazione delle parole viene persa ma il fisico dice che se avessi a disposizione potenza di calcolo illimitata potrei riprendere gli atomi del libro che sono nel camino e potrei ricostruire lo stato del sistema prima che si bruciasse, nel caso del buco nero il ibro non te lo rende indietro o te lo rende come radiazione di hawking, cioè una radiazione termica che ti dà un oggetto caldo, è rumore da cui non puoi estrarre informazione. È una cosa strana. Il fatto che possa tornare indietro e ricostruire lo stato del sistema è uno dei cardini della fisica. Non funzionerebbe nei buchi neri. Si parla di paradosso della perdita dell’informazione. Una spiegazione è che in realtà quando tu tiri una cosa nel buco nero, se sei con lei, non accade niente: se stai col libro hai quel che avevi prima. Dal punto di vista di chi sta fuori quando il libro attraversa la sfera l’informazione viene spalmata sulla superficie sferica. Invece che in un volume il libro resta scritto nella superficie. Come funzionano gli ologrammi. È un’ipotesi.
Ha delle conseguenze, visto che si applica anche ad altri sistemi. Si potrebbe applicare all’orizzonte dell’universo, quello esterno, per cui quel che c’è nel volume dell’universo è contenuto all’orizzonte e noi saremmo dentro un universo olografico, nella superficie dell’orizzonte.
Warmhole. Breccia spazio temporale che dovrebbe permettere di spostarsi da un punto dell’universo a un altro punto dell’universo. È possibile che una cosa del genere succeda effettivamente? È possibile che ci siano e siano possibili i viaggi usando questa scorciatoia? La relatività generale fornisce questa possibilità teorica. Creare questes scorciatoie, cunicoli nello spazio tempo in cui passi istantaneamente da un punto a un altro dello spaziotempo. Interstellar nasce dai lavori di Thorne. È molto improbabile che esistano veramente. Non violano leggi fisiche. Esistono come equazioni. Le condizioni che dovrebbero verificarsi affinché esistano davvero nell’universo sono molto strane e improbabili. Non possiamo dire che non esistono ma non possiamo nemmeno dire che esistano.  Prove zero, per ora.
Libro: the science of interstellar.
Video di Balbi su questa roba.
Riusciremo a uscire dal nostro pianeta anche se non ci sarò perché saranno passati millenni.
Esopianeti. Esiste vita al di fuori della Terra? Risposta facile. Per quanto ne sappiamo no. Negli ultimi anni stiamo facendo passi avanti nella direzione della possibile risposta. Esistono altri pianeti oltre quelli del sistema solare. Ne conosciamo oltre quattromila, che orbitano vicino a stelle relativamente vicine, comprese quelle che vediamo nel cielo. Probabilmente i pianeti nella nostra galassia sono centinaia di miliardi. Ogni stella ha almeno un pianeta. Le stelle sono centinaia di miliardi. È probabile che in qualche pianeta ci siano delle condizioni adatte per la vita, dato che per avere vita basta che ci sia acqua liquida. Ciò non significa poi niente sul tipo di vita o sul fatto che potrebbero essere pianeti abitabili. Cominciamo ad avere dati e tecniche. Stiamo per poter studiare le atmosfere di questi pianeti e quindi scorgere tracce di attività biologiche. In qualche decennio si potrà fare. È possibile che ci siano forme di vita microscopiche da qualche parte nel sistema solare. Stabilirsi fuori dalla Terra? Sono scettico. Fuori dal sistema solare? Non se ne parla forse per secoli. Marte è la cosa più vicina alla Terra e è un postaccio.
Possiamo raggiungere le stelle usando tecnologia fattibile? Perché non possiamo superare la velocità della luce? La velocità della luce non si può superare non per ragioni tecnologiche. Non si può superare perché per come abbiamo capito come funziona la realtà questo limite è fatto sul modo in cui è fatto l’universo. Eh, ma se poi si scopre che questa cosa va soggetta a revisione? Quando intendiamo che le cose possono cambiare è che aggiorniamo le conoscenze pregresse con nuove informazioni. Approccio bayesiano. Hai delle informazioni precedenti, le aggiorni. Questo non significa che le informazioni precedenti le butti via. Cambia il peso con cui le valuti. Le puoi revisionare ma non cambia tutto. La velocità della luce sta lì come un pilastro su cui costruire la nostra comprensione del’universo. È improbabile che tutto quello che abbiamo capito dell’universo sia da buttare. Comunque come possiamo viaggiare nello spazio senza superare la velocità della luce? Come possiamo arrivare a proxima centauri senza metterci 10mila anni, ma magari cento anni? Non è impossibile. Ci sono delle possibilità che si stanno studiando. Non le vedremo noi, ma i nostri pronipoti forse.
La vela solare. Vela spinta dalla luce. Forse è la cosa più realistica. C’è una persona che ha messo dei soldi sul piatto. Ha raccolto menti brillanti. Idea: prendere una vela spinta dalla luce ma non dal sole (cosa che già sappiamo fare, sonde sperimentali dalla luce del sole, la vela è fatta di materiale estremamente leggero, riflettente, sottile, molto grande e la luce può spingerla). La vela è spinta dalla luce ma non va a quella velocità. Se prendi una luce incredibilmente potente e concentrata, che potresti fare con dei laser potentissimi che forse potrai costruire tra qualche decina di anni, spari la luce sulla vela, questa vela potrebbe arrivare a velocità tipo un quinto della velocità della luce. Il che significa che arrivi in proxima centauri in venti anni. Ci arrivi con una minuscola nave spaziale leggerissima che potrebbe poi mandarti indietro dei dati. È un progetto a un secolo. Cominciamo ora per mandare tra un secolo la sonda e che arrivi su proxima centauri dopo venti anni.
Dibattito filosofico. Tu in una foresta buia di notte ti metteresti a urlare? Mandare sonde è veramente una buona idea?
Noi siamo visibili. Se là fuori ci sono degli astronomi più bravi di noi la Terra l’hanno già vista. Se qualcuno ha vantaggi rispetto a noi non è che possiamo nasconderci e quindi ci hanno visto. L’opposto non siamo riusciti a farlo. L’universo sembra desolatamente vuoto. Può essere che siamo soli. Ci sono distanze enormi. Possiamo essere imprigionati qui? Forse sì. Che una specie come la nostra possa colonizzare una galassia è teoricamente possibile ma difficile. Qualunque civiltà avanzata deve affrontare problemi talmente grandi che non riesce a muoversi  nello spazio.
Buco nero ha gravità tendente a infinito. Curva lo spazio tempo in un modo tale che nulla ne può uscire, con l’eccezione della radiazione di hawking. Poi c’è teoricamente il buco bianco, che sputa materia fuori anziché risucchiarla.  Da un punto di vista teorico è possibile che il buco bianco sia il generatore tipo big bang? Dalle equazioni della relatività generale vengono fuori anche i buchi bianchi, che sono una cosa in cui puoi entrare ma solo uscire se sei dentro. Ci sono modelli secondo cui l’universo è un buco bianco. Non è così ovvio o evidente che le cose siano così. I buchi neri sappiamo che possono formarsi, da un collasso. Il buco bianco non lo puoi vedere nel futuro: o già c’è o non si può formare. Se c’è nell’universo ci deve essere già. È poco plausibile che ci siano veramente. A livello di ipotesi sì, è fattibile.
Come è il rapporto tra chi esplora l’universo e si rende conto dei nostri limiti (la nostra esistenza potrebbe essere un caso) e la religione (abbiamo un senso e facciamo parte di un masterplan)? Non ci sono evidenze né per l’esistenza del masterplan né del contrario. La scienza dà la percezione che fai parte di qualcosa più grande di te.
Direttore hayden planetarium di new york fa divulgazione. Siamo polvere di stelle. Gli elementi che trovi nel corpo umano sono i più frequenti nel corpo umano e nell’universo e vengono cucinati nel cuore delle stelle e vengono esplosi e da loro comincia la vita. Siamo speciali perché siamo come l’universo.
Da un certo punto di vista siamo irrilevanti, uno scarto arrivato alla fine. Però c’è una polarità su questa cosa. Bisogna recuperare l’incredibile rarità di quel che è successo su questo pianeta. Siamo materia organizzata in una forma enormemente complessa. Succede qualcosa dentro di noi che per certi versi è speciale. Anche incredibile. Anche misterioso. Teniamo presente la normalità degli atomi che sono gli stessi dell’universo e anche che la cosa che io sia cosciente e possa capirlo è incredibile. Sono due aspetti, due visioni che non vanno polarizzate.
Proprio perché siamo ordinari dovremmo riscattarci. Espandere i nostri orizzonti.
Roger Penrose? Sue critiche alla ricerca nella fisica? Penrose ha delle idee diverse da quelle della maggior parte della comunità scientifica su alcuni aspetti del funzionamento dell’universo. Lui non è seguace della teoria delle stringhe. Dal punto di vista scientifico che je voi di’? Ha dato contributi su spaziotempo e relatività generale. È ancora attivo pur avendo 90 anni. Lui parla di continuità dell’universo. Universo ciclico che non ha mai un inizio e si ripete in cicli. Non abbiamo ragioni per scartare. Non possiamo dire che l’universo sia nato col big bang.
Come fa un corpo con una massa enorme come un buco nero a influenzare lo scorrere del tempo? La massa di un corpo deforma la gravità e deforma il tempo: i satelliti che stanno in orbita sono tarati con delle frazioni di secondo per correggere questa discrepanza. Come mai la massa influisce sul tempo? L’universo funziona così. È così. Lo spazio e il tempo non sono separabili. Se la massa e l’energia influenzano lo spazio influenzano anche il tempo. I gps devono tenere conto di queste correzioni nello scorrere sul tempo: il tempo misurato sul satellite è diverso da quello misurato sulla Terra. Si comprano ormai orologi atomici da qualche migliaia di euro (in un laboratorio di fisica) abbastanza precisi da notare che se li poggi sul pavimento il tempo scorre più lentamente che se li poggi due piani sopra.
Cosa leggere per saperne di più? Libri di Amedeo Balbi. In particolare gli ultimi due. L’ultimo orizzonte. Dove sono tutti quanti? Non sappiamo quale sia la probabilità che possa nascere la vita su un pianeta, date le condizioni perfette. Le sfide che anche un pianeta abitabile deve avere sono gigantesche, tenendo conto della biologia. Un pianeta fantastico che è tre volte la Terra ha una gravità tre volte più grande della Terra. Gli esseri viventi devono avere una pressione interna, una struttura ossea particolare. Devono avere una schermatura dai raggi ultravioletti. Poi magari ci sono forme di vita non basate sul dna… Ci potrebbero essere delle condizioni obbligate che si ripetono. L’unico modo per saperlo sarebbe osservare l’universo. Se siamo soli non lo sappiamo ma siamo sicuramente isolati. Con distanze enormi ma anche con tempi enormi. La galassia nostra ha otto nove miliardi di anni. Il sole ha 5 miliardi di anni. Potremmo avere avuto pianeti apparsi miliardi di anni prima della Terra già estinti. La Terra esiste da 4,5 miliardi di anni, l’uomo c’è da 150000 anni come specie e 10000 anni come civiltà, se parliamo di rivoluzione scientifica o comunicazione interstellare pochi anni o pochi secoli. Un austronomo che guardi la Terra in questi miliardi di anni è probabile che veda noi? È più probabile che veda i batteri. I dinosauri sono stati sulla Terra più di noi. Le estinzioni di massa sono una cosa frequente. Sarà l’intelligenza artificiale a superarci? Boh.
Libro che ha cambiato la vita? Nel cosmo alla ricerca della vita di Piero Angela. Cosmos, di Segan.

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